(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接トーチのガスノズルが、トーチ本体に設けたトーチ軸方向のガイド内筒に筒軸方向に摺動自在に装着されて、トーチ本体に対してノズル口をトーチ軸方向に相対移動可能に設けられ、このガスノズルを溶接ロボットのＮＣ装置で前記軸方向移動させるサーボシリンダが前記ガイド内筒と平行に設けられ、前記ＮＣ装置は、溶接しようとする母材金属に設けられた開先の幅がトーチ先端に装着されたガスノズルの直径に溶接中におけるウイービングの振幅の２倍を加えて更に余裕分を加えた幅より大きいときはガスノズルの位置を固定して溶接を行い、開先の幅がトーチ先端に装着されたガスノズルの直径に溶接中におけるウイービングの振幅の２倍を加えて更に余裕分を加えた幅より小さいときは、溶接トーチ本体に対するガスノズルの軸方向の相対位置を当該溶接を行うときの実質的な開先深さに応じて変化させて、ガスノズルのノズル開口と母材金属表面との距離を一定に保持して溶接を行うことを特徴とする、ガスシールド溶接装置。
【請求項２】
前記ＮＣ装置が、溶接の進行に伴って溶接トーチを後退させたとき、前記ガスノズルをこの溶接トーチの後退量と等しい量だけ進出させて、前記ガスノズルのノズル開口と母材金属表面との距離を一定に保持することを特徴とする、請求項１記載のガスシールド溶接装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の溶接装置を用い、溶接しようとする母材金属に設けられた開先の幅がトーチ先端に装着されたガスノズルの直径に溶接中におけるウイービングの振幅の２倍を加えて更に余裕分を加えた幅より大きいときはガスノズルの位置を固定して溶接を行い、開先の幅がトーチ先端に装着されたガスノズルの直径に溶接中におけるウイービングの振幅の２倍を加えて更に余裕分を加えた幅より小さいときは、溶接トーチ本体に対するガスノズルの軸方向の相対位置を当該溶接を行うときの実質的な開先深さに応じて変化させて、ガスノズルのノズル開口と母材金属表面との距離を一定に保持して溶接することを特徴とする、ガスシールド溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ガスシールド溶接装置及びガスシールド溶接方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ガスシールド溶接は、溶接を不活性ガスや特殊なガスの雰囲気下で行うことにより、高品質の溶接や特殊金属の溶接を行う溶接方法である。ガスシールド溶接用の溶接トーチは、トーチ先端にシールドガスを供給するガスノズルを備えている。ガスノズルは、中空のパイプで、溶接トーチの先端部分を覆っている。溶接トーチから送り出される溶接ワイヤの先端は、ガスノズルのノズル口（開口端）から所定長さ突出しているが、ノズル口が溶接される母材金属の表面から離れすぎると、ノズル口から供給されたシールドガスが拡散して溶接部を大気からシールドできなくなるため、溶接はノズル口を母材金属の表面に接近させた状態で行われる。
【０００３】
溶接される母材金属がある程度以上の厚さを有するときは、母材金属の溶接部に開先を取り、多層溶接、すなわち溶接部に溶接トーチを多数回移動させて、多層の肉盛を行う。更にある幅を有する溶接箇所に均一な肉盛を行うために、ウィービングしながら、すなわち溶接トーチの先端をその移動方向と直交する方向に往復動させながら溶接を行う。
【０００４】
溶接される母材金属の厚さが厚くなると、開先の深さも深くなる。また、開先の幅が不必要に広いと、広い断面の開先を埋めるのに必要な溶接材料の量が多くなり、溶接にも時間がかかる。そこで開先の幅はできるだけ狭いことが望まれる。
【０００５】
開先深さの深い厚肉材料のガスシールド溶接では、ノズル口を開先の中に差し込んで溶接を行うか、差し込まないで溶接を行うかが問題となる。ノズル口からのワイヤの突出量を通常の突出長さとした状態でノズル口を開先内に差し込んで溶接を行うときは、開先の壁面とガスノズルとの干渉が問題になる。すなわち、開先の幅をガスノズルの外径より大きくしなければならず、また、ウィービングをしつつ溶接を行うときは、ガスノズルと開先の壁との衝突によってウィービング幅が制限されるのを避ける必要がある。ガスノズルと開先の壁との干渉によってウィービング幅を十分に取れないと、溶接ワイヤを開先の壁近くまで接近させることができず、溶接が不完全になる。そのため、細いガスノズルを取り付けたり、扁平なガスノズルを取り付けて溶接を行っている。
【０００６】
一方、ノズル口を開先に差し込まない溶接では、溶接ワイヤの先端をノズル口から長く突出させて開先底部の溶接が行われる。この場合には、トーチ先端から長く突出したワイヤ先端の振れ（ワイヤの傾きないし曲がりによる先端の変位）が問題になる。また、多層溶接で肉盛が進行すると、見かけ上の開先深さが浅くなるので、それに応じてワイヤの先端を後退させる必要がある。この後退動作に伴って、ノズル口も後退して、部材金属の表面との間隔が広くなり、シールドガスが拡散してしまうということが起る。
【０００７】
このような問題に対応するため、下記特許文献１〜５には、厚肉材料や狭い箇所をガスシールド溶接するための溶接トーチの構造が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−２００７２３号公報
【特許文献２】実開平５−１８７６９号公報
【特許文献３】実開平６−５７４号公報
【特許文献４】特開２００９−２９７７２０号公報
【特許文献５】特開平９−１０９４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、たとえば特許文献１記載の構造では、開先幅をガスノズルの外径より狭くすることができないという制限があり、特許文献２記載の構造では、表面に障害物や段差がある部材の溶接には採用することができないという問題がある。また、特許文献３ないし５の構造では、ガスノズルが特殊な形状や構造を備えたものとなり、そのためにガスノズルが高価になったり、開先が取られていない母材や開先深さの浅い母材の溶接には適合しないなどの問題があり、汎用性の点で問題がある。
【００１０】
この発明は、開先幅の制約を受けないで、開先の深い材料の溶接も開先が取られていない材料の溶接もそれぞれに適合した条件でガスシールド溶接を行うことができ、しかもシールドガスを供給するのに必要な太さの単純な円形断面のガスノズルからシールドガスを供給して溶接を行うことが可能な溶接装置を得ることを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明の溶接装置の溶接トーチは、トーチ本体に対してトーチ軸方向に相対移動可能なガスノズル２を備えている。ガスノズル２は、トーチ軸方向のガイド筒１３に筒軸方向に摺動自在に嵌挿して設けるか、あるいは軸方向に伸縮可能な蛇腹構造の筒体などにより、ノズル口２２を進退（トーチ軸方向に移動）自在にして装着されている。このガスノズル２は、ＮＣ制御によりストローク制御可能なサーボシリンダなどの進退駆動装置５に連結されて、ノズル口２２が移動及び位置決めされる。トーチ先端から溶接ワイヤ３の先端までの距離は、設定された所定の距離に保持され、ノズル口２２の進退動作により、ノズル口から溶接ワイヤの先端までの距離（突出量）が変化する。
【００１２】
狭くて深い開先の底の部分を溶接するときは、ガスノズルを後退させ、ノズル口から溶接ワイヤを長く突出させた状態で溶接を行う。このとき、ガスノズル２は、開先内に挿入されることなく、かつ溶接ワイヤの先端が開先の底部にまで達して溶接が行われる。開先内には溶接ワイヤのみが挿入され、ノズル口は開先の外に位置しているので、ガスノズルと開先の壁とを干渉させることなくワイヤ先端に必要なウィービング動作を行わせることができる。また、開先幅をガスノズルの外径より幅狭くすることも可能である。
【００１３】
溶接が進行すると、開先の底部に溶接材料が肉盛され、開先の見かけ深さが浅くなり、それに応じて溶接トーチも後退するが、この溶接トーチの後退に応じて進退駆動装置５が駆動されてノズル口２２が相対的に進出して、ノズル口２２と母材表面８２との間隔を一定に保つ。溶接トーチの後退量は、溶接ロボットのＮＣ装置で制御されているので、同じＮＣ装置で進退駆動装置５を制御することにより、溶接トーチの後退量と等しい量だけノズル口２２を相対的に進出させてノズル口２２と母材金属の表面８２との間隔を一定に保持することができる。また、母材表面に障害物や段差があるときは、ティーチングや加工プログラムにより、ガスノズル２にその障害物や段差を乗り越えるための後退動作をさせることができる。
【００１４】
ノズル口２２の進出端は、最前進端に進出したとき、すなわちノズル口からの溶接ワイヤの突出量が最も短くなるときに、平面の溶接を行う条件となるように設定する。これにより、開先が設けられていない母材の溶接や浅い開先が設けられた母材の溶接も支障なく行うことができる。また、母材表面８２、８２相互が図７に示すように鋭角に交差している隅肉溶接においても、適宜ノズル口２２を後退させることにより、ガスノズル２と母材表面８２とを干渉させることなく溶接を行うことができる。
【発明の効果】
【００１５】
この発明の溶接装置によれば、開先の深さや開先の幅に制限を受けることなく、深い開先を設けた母材金属から開先を設けられていない母材金属の溶接まで、シールドガスのノズル口と母材金属表面との間隔及び溶接ワイヤ先端と母材金属との間隔を最適間隔に保持した状態でガスシールド溶接を行うことができる。溶接が進行して溶接金属の肉盛により見かけ上の開先深さが順次浅くなる溶接においても、常にノズル口と母材金属表面との間隔を一定に保持して溶接ワイヤのみを順次後退させて溶接を行うことができる。
【００１６】
この発明の溶接装置は、ガスノズルを開先内に挿入しないで溶接を行うので、開先幅を必要に応じて十分に狭くすることができ、また開先内へのワイヤ先端のウィービングに制限が生ずることもない。更に溶接ワイヤと母材金属との接触を検出するセンシング動作により、開先の深さや開先の幅をＮＣ装置で検出して、最適なノズル口の位置を自動設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】溶接ロボットに取り付けた状態で示す溶接トーチの側面図
【図２】ワイヤタッチセンシングによる開先幅と開先深さの計測を示す図
【図３】ウイービング動作を説明する斜視図
【図４】ノズルと開先が干渉しないウイービングの説明図
【図５】ノズルと開先が干渉するウイービングの説明図
【図６】ノズルストロークの制御手順の一例を示すフローチャート
【図７】ノズルが母材金属と干渉する恐れのある隅肉溶接を示した模式図
【発明を実施するための形態】
【００１８】
次に図面を参照して、この発明の実施形態を説明する。図において、１は溶接トーチ、２はガスノズル、３は溶接トーチの先端から送り出されている溶接ワイヤ、４は溶接ロボットのアーム先端に設けられている手首、６はショックセンサである。
【００１９】
溶接ロボットの手首４には、当該手首の軸線４１回りの回転によって旋回する旋回ブラケット４２が取り付けられ、この旋回ブラケットの先端に、ショックセンサ６を介してトーチホルダ１１が装着されている。溶接トーチ１は、そのネック部１２をトーチホルダ１１に固定した状態で取り付けられている。溶接トーチ１には、そのネック部１２より先端の側に、ガイド内筒１３が固定されている。このガイド内筒１３に軸方向に摺動自在にガイド外筒１４が嵌挿されている。ガイド外筒１４の先端には、ガスノズル２が固定されている。ガスノズル２には、トーチ本体の基端に接続したホース２１を通してシールドガスが供給され、溶接中は、ガスノズル２の下端のノズル口２２からシールドガスが流出する。溶接ワイヤ３は、ホース２１の中を通って溶接トーチ１の先端のチップ１５から送り出される。
【００２０】
トーチホルダ１１には、溶接トーチ１と平行にサーボシリンダ５が装着されている。このサーボシリンダのロッド５１の先端は、ガイド外筒１４の基端に固着した連結板１６に連結されている。従って、サーボシリンダのロッド５１とガイド外筒１４に固定されているガスノズル２は、一体となってストローク（軸方向移動）する。ロッド５１のストローク位置は、サーボシリンダ５に内蔵のセンサで検出されて、溶接ロボットのＮＣ装置７にフィードバック信号ｃとして与えられている。ＮＣ装置７は、ロッド５１のストローク量が指令した値Ｌｓとなるように、サーボ弁５２を制御して、サーボシリンダ５に与える作動油ａ、ｂを制御している。
【００２１】
ノズル口２２のストローク原点は、開先が設けられていない平面を溶接するときのノズル口の位置で、このときノズル口２２からチップ１５が長さＬｏだけ突出し、更にこのチップの先端から溶接ワイヤ３が長さＬだけ突出している（図２参照。なお、図１はＬｏ＜０の場合の例である）。すなわち、サーボシリンダのロッド５１のストローク原点で、ノズル口２２は、溶接ワイヤ３の先端からＬ＋Ｌｏだけ上方に位置している。ロッド５１のストロークは、ロッド５１が引き込まれる方向を正方向としている。従って、ロッド５１がＬｓだけストロークしたときのノズル口２２の位置は、溶接ワイヤ３の先端からＬ＋Ｌｏ＋Ｌｓの高さとなる。
【００２２】
次に平行開先、すなわち開先幅Ｗが開先の底から開先の出口まで変化しない開先を設けた母材金属８、８を多層溶接する場合を例にして、この発明の溶接装置を用いた溶接動作を説明する。まず、溶接に先立ってＮＣ装置７に、
ｄｎ：ガスノズル２の外径
Ｂ  ：トーチの傾き分も含む干渉余裕代
ａ  ：ウイービングの振幅
Ｌ  ：チップ先端からの溶接ワイヤの突き出し長さ
Ｌｏ：ストローク原点におけるチップ１５のノズル口２２からの突出長さ
δ  ：１層当りの肉盛の高さ
を登録する。
【００２３】
次に、ガスノズル２を上昇端に移動した状態で、溶接ワイヤ３と母材金属８、８との間に低い電位差をかけて溶接ワイヤ３を母材金属８、８に接触させ、接触時の電流を検出するワイヤタッチセンシングにより、
Ｗ  ：開先幅
Ｈ  ：開先深さ
を検出し、その検出値をＮＣ装置７に記憶する。開先幅Ｗは、ワイヤ先端を開先８１の片側の壁に接触させたあと反対側の壁に接触させたときの、溶接トーチの水平方向の移動量をＮＣ装置７で検出することにより計測できる。また、開先深さＨは、ワイヤ先端を母材金属の表面に接触させたあと開先の中央で開先の底（裏当金の表面）に接触させたときの溶接トーチの上下方向の移動量をＮＣ装置７で検出することにより計測できる。
【００２４】
計測された開先幅Ｗ及び深さＨに基づき、サーボシリンダ５に与えるストロークの指令値Ｌｓを次の（１）〜（３）のように設定する。ここで、Ｌｓはサーボシリンダに与えるストローク（ノズル後退ストローク）の指令値、Ｎは溶接の層数である。
（１）開先幅Ｗがｄｎ＋２ａ＋２Ｂより大きい（図４）ときは、ノズル口２２を開先内に差込んでも開先の壁とガスノズル２とが干渉する恐れがないから、ノズル口２２を原点位置にして溶接を実施する。すなわち、
Ｗ＞ｄｎ＋２ａ＋２Ｂであれば、
開先深さに関わらず指令値Ｌｓ＝０で全層の溶接を行う。
（２）開先幅が小さいとき、すなわち、Ｗ≦ｄｎ＋２ａ＋２Ｂのとき（図５）は、開先の深さに応じてノズルを上げて干渉を防止する。すなわち、
Ｌ＋Ｌｏ＞Ｈ＋Ｂであれば、指令値Ｌｓ＝０とし、
Ｌ＋Ｌｏ≦Ｈ＋Ｂであれば、指令値Ｌｓ＝Ｈ−（Ｌ＋Ｌｏ）＋Ｂとして、第１層の溶接を始める。
（３）一方、Ｎ層目の溶接が行われた後では、開先深さが既に行われた溶接の肉盛の厚さだけ浅くなるので、Ｎ＋１層目の溶接を行うときは、
Ｌ＋Ｌｏ＞Ｈ−Ｎ×δ＋Ｂであれば、指令値Ｌｓ＝０
Ｌ＋Ｌｏ≦Ｈ−Ｎ×δ＋Ｂであれば、指令値Ｌｓ＝Ｈ−Ｎ×δ−（Ｌ＋Ｌｏ）＋Ｂ
で溶接を行う。
【００２５】
図６は、Ｈｎ＝Ｈ−Ｎ×δとして、上記の条件で溶接が行われるようにサーボシリンダのストロークＬｓを制御する制御手順の一例を示したフローチャートである。ここで、判定ステップＳ１がＹｅｓであれば、ガスノズル２を開先に差込んで溶接を行ってもガスノズルと開先の壁とが干渉する恐れがないので、ガスノズル２を原点位置Ｌｓ＝０にして総ての溶接を行う（ステップＳ２）。
【００２６】
判定ステップＳ１がＮｏであれば、ガスノズル２を開先に差込んで溶接を行うとガスノズルと開先の壁とが干渉する恐れがある。しかし、実質的な開先深さＨｎ（＝Ｈ−Ｎ×δ）がガスノズルを原点位置Ｌｓ＝０にしてもガスノズルの先端が母材表面に達しない深さであれば、ガスノズルを対比させる必要がないので、その判定をステップＳ３で行っている。すなわち、実質的な開先深さＨｎに余裕Ｂを加えた寸法がガスノズルを原点位置にしたときのノズル口からワイヤ先端までの距離Ｌ＋Ｌｏより小さければ（ステップＳ３の判定がＹｅｓ）、ノズル口と母材表面との間に余裕Ｂ以上の間隙があることとなり、また層数Ｎが多くなれば実質的な開先深さがより浅くなるので、それ以後の溶接はガスノズルを原点位置Ｌｓ＝０にしてその後の総ての溶接を行う（ステップＳ２）。
【００２７】
ステップＳ３の判定がＮｏであれば、ガスノズルを原点位置にして溶接を行うと、ガスノズルと開先の壁が干渉する恐れがあることとなるから、ステップＳ４でガスノズルの先端と母材表面との間に余裕Ｂだけの隙間が開くように、ガスノズルをＬｓ＝Ｈｎ−（Ｌ＋Ｌｏ）＋Ｂだけ後退させて、その層の溶接を行う（ステップＳ５）。この場合は、肉盛が進むにつれて実質的な開先深さＨｎが浅くなるので、一層の溶接が終わる毎にステップＳ６でＨｎを修正して、ステップＳ３の判定に戻る。
【００２８】
以上の実施例の説明で理解されるように、本願の発明に係る溶接トーチを用いることにより、開先幅が狭い場合や開先深さが深い場合、溶接の進行により実質的な開先深さが変わる場合、開先が設けられていない場合など、種々の条件でのガスシールド溶接において、シールドガスを供給するガスノズルと開先の壁とを干渉させることなく、ガスノズルを最適の位置にして溶接を行うことができる。
【符号の説明】
【００２９】
１  溶接トーチ
２  ガスノズル
３  溶接ワイヤ
５  進退駆動装置（サーボシリンダ）
７  溶接ロボットのＮＣ装置
８  母材
１３  ガイド筒
２２  ノズル口
８２  母材表面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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